基于雙優(yōu)化流線的城軌車站客流仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐水雄，郭夢倩，唐金金，張 濤，趙利強

（1.北京驛祿軌道交通工程有限公司，北京 101200；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044）

在城軌車站的運營管理中，高峰時段客流積壓易造成站內(nèi)擁堵，給工作人員帶來巨大的客流管控壓力[1]。如何準(zhǔn)確掌握客流瓶頸分布，有效實施管控方案，是目前車站運營管理工作中的難點[2]。因此，亟須構(gòu)建一套客流仿真系統(tǒng)，對客流的動態(tài)分布進行推演，分析客流擁堵點，協(xié)助站務(wù)人員提出管控措施。

1 研究背景

對于城軌車站客流演化規(guī)律的研究，相關(guān)學(xué)者利用社會力模型描述乘客的微觀運動，推演客流變化規(guī)律，并不斷改進和發(fā)展社會力模型。馬潔等人[3]建立基于危險源的社會力模型，較好地再現(xiàn)了地鐵站臺層危險突發(fā)事件下乘客疏散過程。何民等人[4]引入實時感知與避讓算法，對社會力模型進行改進，建立了同伴群步行結(jié)構(gòu)模型，對分析乘客運動時的行為特征具有一定的借鑒意義。李俊[5]利用場景中的障礙物生成路徑節(jié)點，通過最短疏散路徑改進社會力模型，使人群疏散仿真更加真實。文獻[6]針對行人運動時的結(jié)伴問題，結(jié)合顆粒流理論改進社會力模型，實現(xiàn)了考慮結(jié)伴行為的地鐵通道行人仿真，為通道內(nèi)行人組織提供指導(dǎo)。對于客流仿真系統(tǒng)的研究，文獻[7-10]分別利用AnyLogic、VISSIM、Pathfinder、Viswalk 等軟件搭建車站客流仿真系統(tǒng)。這些軟件雖然易于實現(xiàn)客流推演，但其底層行人仿真模型的準(zhǔn)確性不高，且不支持修改[11]，使二次開發(fā)功能受限，因而不能很好地滿足城軌車站客流仿真系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

基于上述分析，本文針對城軌車站場景復(fù)雜的特點，設(shè)計了基于雙優(yōu)化流線的城軌車站客流仿真系統(tǒng)（簡稱：車站客流仿真系統(tǒng)），并介紹了該系統(tǒng)在某地鐵站的仿真效果。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 邏輯架構(gòu)

車站客流仿真系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車站客流仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：提供輸入數(shù)據(jù)，包括仿真所需的客流數(shù)據(jù)和車站基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)。

（2）應(yīng)用層：加載系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)，基于乘客仿真模型完成系統(tǒng)仿真場景的搭建、仿真計算、仿真控制、參數(shù)配置、仿真數(shù)據(jù)等信息的存儲。

（3）界面層：為操作人員提供人機交互界面，通過該界面實現(xiàn)仿真過程的可視化展示，以及仿真運行狀態(tài)的控制。

2.2 功能架構(gòu)

車站客流仿真系統(tǒng)的功能包括車站二維場景仿真、仿真數(shù)據(jù)存儲和仿真可視化展示，具體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 車站客流仿真系統(tǒng)功能架構(gòu)

（1）車站二維場景仿真：車站客流仿真系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取客流、車站基礎(chǔ)配置、仿真模型參數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)車站站廳層和站臺層的計算機輔助設(shè)計（CAD，Computer Aided Design）圖搭建車站仿真場景。

（2）仿真數(shù)據(jù)存儲：車站客流仿真系統(tǒng)將仿真過程中車站內(nèi)不同功能區(qū)在不同時間段的客流量、擁擠度、出入口客流量等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與分析，為站務(wù)工作人員掌握客流分布、實施客流管控措施提供數(shù)據(jù)支持。

（3）仿真可視化展示：車站客流仿真系統(tǒng)通過人機交互界面展示仿真動畫，直觀地顯示客流的動態(tài)分布。同時，車站客流仿真系統(tǒng)具有仿真運行狀態(tài)控制功能，并以圖表形式多維度展示仿真結(jié)果。

3 雙優(yōu)化流線設(shè)計

3.1 基于改進社會力模型的局部流線優(yōu)化

作為微觀交通行為仿真模型，社會力模型可以準(zhǔn)確地反映乘客在車站內(nèi)的走行軌跡。在社會力驅(qū)動下，乘客按照既定走行流線完成出行目的。但是，當(dāng)乘客按照既定流線行走時，難免與其他行人發(fā)生碰撞，因而需在局部范圍內(nèi)調(diào)整實際走行流線。考慮這一情況，車站客流仿真系統(tǒng)對社會力模型進行改進，在微觀層面上實現(xiàn)乘客對走行流線的動態(tài)調(diào)整，從而達到優(yōu)化局部流線的目的。

乘客的既定走行流線決定了社會力模型中自驅(qū)動力的期望方向初始值，而期望方向的變化主導(dǎo)乘客的實際走行流線。因此，車站客流仿真系統(tǒng)在社會力模型的基礎(chǔ)上，利用啟發(fā)式算法[12]獲得期望方向初始值。考慮乘客與其他乘客的碰撞位置必定在乘客前進方向的視野范圍內(nèi)，因此，基于改進社會力模型的局部流線優(yōu)化（簡稱：局部流線優(yōu)化）通過增加乘客的碰撞約束距離di，對期望方向計算規(guī)則進行改進，使期望方向的選擇更加符合乘客真實的前進方向。所增加的乘客碰撞約束距離di為

其中，αi為乘客i的走行方向，f(αi)為乘客i與其他乘客的首次碰撞距離；dmax為f(αi)的最大值，在數(shù)值上等于乘客i的視距。

在碰撞約束距離di的限制下，局部流線優(yōu)化計算乘客i在期望方向的唯一最優(yōu)解，實現(xiàn)流線方向的動態(tài)調(diào)整。改進后期望方向的唯一最優(yōu)解 α*為

其中，αdes為乘客i的局部流線方向。

乘客的碰撞行為對局部流線的影響不僅體現(xiàn)在改變乘客的期望方向，還體現(xiàn)在降低乘客的行走速度。為了降低碰撞產(chǎn)生的影響，車站客流仿真系統(tǒng)改進了乘客的期望速度，使其在發(fā)生碰撞前降低自身行走速度。改進后的期望速度唯一最優(yōu)解vdes為

由此可得，改進后局部流線的乘客i的自驅(qū)動力為

車站客流仿真系統(tǒng)通過改進的社會力模型，對車站空間場景進行建模。在乘客碰撞行為的影響下，該模型能夠計算出乘客的期望方向和期望速度的唯一最優(yōu)解，從而得到乘客自驅(qū)動力的唯一最優(yōu)解。同時，該模型還計算乘客與單一障礙物W之間的排斥力，并求解乘客視野范圍內(nèi)所有障礙物排斥力的總和；計算乘客與任一行人j之間的相互作用力，并求解乘客視野范圍內(nèi)所有行人相互作用力的總和。由此可得，反映乘客運動規(guī)律的社會力為

改進的社會力模型考慮了乘客的碰撞行為對局部流線的影響，能夠?qū)Τ丝驮诰植苛骶€的行走方向進行動態(tài)調(diào)整，更能反映高密度客流下乘客真實的走行規(guī)律。

3.2 基于可擴展多層設(shè)計的全局流線優(yōu)化

多線換乘車站內(nèi)乘客走行流線的復(fù)雜性高，從全局層面來看，各類流線相互交織、相互影響，具體表現(xiàn)為：同一設(shè)施節(jié)點處涵蓋進站、出站、換乘線路等多種走行流線，僅靠當(dāng)前設(shè)施節(jié)點無法確定乘客的來源與去向，也無法準(zhǔn)確判斷乘客所屬流線，導(dǎo)致乘客的走行軌跡與實際不符。

為了解決上述問題，車站客流仿真系統(tǒng)在單一交織流線的基礎(chǔ)上，通過多源節(jié)點屬性判別方法實現(xiàn)了流線在不同維度的分層處理，并支持層級擴展，通過可擴展多層流線設(shè)計實現(xiàn)全局流線優(yōu)化。多源節(jié)點屬性判別方法如圖3 所示。

圖3 多源節(jié)點屬性判別

車站內(nèi)全局流線分為進站層、出站層、換乘層，層級屬性floor 分別對應(yīng)不同層級，其中，floor 為自然數(shù)。由于同一種設(shè)施設(shè)備會承載多種層級的乘客，如進站、出站、換乘的乘客均需經(jīng)過連接站廳與站臺的自動扶梯，因此，系統(tǒng)將同時承載多種層級乘客的設(shè)施設(shè)備定義為多源節(jié)點，其來源節(jié)點屬于集合{(x1,y1),(x2,y2),···,(xm,ym)}，其中，(xm,ym)表示第m個層級的來源節(jié)點。目標(biāo)節(jié)點屬于集合{(p1,q1),(p2,q2),···,(pm,qm)}，其中，(pm,qm)表示第m個層級的目標(biāo)節(jié)點。根據(jù)流線方向追溯多源節(jié)點的來源節(jié)點(xi,yi)，由于一個來源節(jié)點(xi,yi)與一個目標(biāo)節(jié)點(pi,qi)可組成一對節(jié)點，從而確定唯一層級floor，可避免直接搜索目標(biāo)節(jié)點無法確定層級的情況。多源節(jié)點屬性判別方法可以確定設(shè)施設(shè)備多源節(jié)點處乘客的層級屬性，使進站層、出站層、換乘層等乘客的運動軌跡互不干擾，避免不同層級間流線交叉點對乘客運動方向的干擾，降低流線設(shè)計的耦合度。

對于地鐵換乘站而言，除了進站層與出站層流線外，根據(jù)換乘線路數(shù)量，可劃分為若干個換乘層。考慮這一情況，車站客流仿真系統(tǒng)設(shè)計的多層流線具備可擴展特性，即若該車站為n線換乘車站，則換乘層可擴展至n層，全局流線可擴展至n+2 層。基于可擴展多層設(shè)計的全局流線優(yōu)化如圖4 所示。

圖4 可擴展多層全局流線優(yōu)化

與單一交織流線相比，基于可擴展多層設(shè)計的全局流線利用多源節(jié)點屬性判別方法實現(xiàn)了乘客的層級屬性判別，并支持自定義添加多層流線，實現(xiàn)了車站全局流線優(yōu)化，滿足不同車站仿真場景需求。

4 系統(tǒng)模塊設(shè)計與功能實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計

4.1.1 乘客仿真模塊

乘客仿真模塊包括乘客生成、乘客屬性配置、乘客仿真計算。乘客生成指調(diào)用軟件Java 的Random類的方法nextInt()在出入口產(chǎn)生一定數(shù)量的乘客。在系統(tǒng)中將抽象的乘客轉(zhuǎn)換為易于描述和操作的程序?qū)ο螅虼嗽谡緩d層二維場景客流動態(tài)變化圖中用不同顏色的圓點表示不同類型的乘客，如圖5 所示，綠色表示進站上車的乘客，紅色表示下車出站的乘客。換乘車站也可用其他顏色表示換入/出線路的乘客。

圖5 站廳層二維場景客流動態(tài)變化

乘客屬性配置指的是乘客初始化參數(shù)的配置，包括乘客質(zhì)量、初始行走速度、前進方向視野范圍等靜態(tài)屬性，以及當(dāng)前位置、目的地位置、期望方向、期望速度等動態(tài)屬性。乘客屬性配置是乘客仿真模塊的計算基礎(chǔ)。乘客仿真模塊基于改進的社會力模型，通過調(diào)用Java 類庫中的方法進行修改和重寫乘客的動態(tài)屬性，實現(xiàn)乘客運動狀態(tài)的更新。讀取局部流線的起點和終點，計算乘客單步位移點，對單步位移點進行循環(huán)迭代，得到乘客在全局流線上的走行軌跡。

4.1.2 環(huán)境仿真模塊

環(huán)境仿真模塊主要用于車站仿真場景的繪制，以及各類設(shè)施設(shè)備的建模。環(huán)境仿真模塊還能設(shè)置自動售票機、進出站閘機、自動扶梯、安檢機等多種設(shè)施設(shè)備的使用規(guī)則，例如，自動售票機的單次服務(wù)時間、進出站閘機的開閉狀態(tài)、自動扶梯的運行速度及最大承載人數(shù)、安檢機的服務(wù)效率等。

4.1.3 仿真運行模塊

仿真運行模塊具有客流數(shù)據(jù)加載、客流軌跡計算、仿真速度控制等功能，通過讀取數(shù)據(jù)庫的客流數(shù)據(jù)來建立乘客進站時間與仿真動畫幀數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。仿真運行模塊還能夠按照進站時間和進站位置生成帶有屬性配置的乘客，并在對應(yīng)的動畫幀處將乘客添加至車站客流仿真系統(tǒng)，以進行客流軌跡計算。

客流軌跡計算是對乘客仿真模塊的單步位移按運行幀數(shù)進行迭代計算，通過連接乘客分段運動的終點來實現(xiàn)全局流線，完成站內(nèi)走行過程。由于仿真時鐘對應(yīng)仿真運行幀數(shù)，仿真倍速的控制可以通過修改每秒的運行幀數(shù)來實現(xiàn)。

4.1.4 界面設(shè)計模塊

車站客流仿真系統(tǒng)具有仿真過程可視化、仿真結(jié)果展示的功能，由界面設(shè)計模塊來實現(xiàn)。界面設(shè)計模塊由功能交互按鈕和仿真畫布兩部分組成。功能交互按鈕實現(xiàn)對仿真運行狀態(tài)的控制，包括開始、暫停、結(jié)束、一鍵仿真、倍速仿真、逐幀仿真等。仿真畫布以動畫形式展示仿真過程，如車站二維場景和乘客走行過程。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 車站二維場景仿真動畫

車站客流仿真系統(tǒng)通過接入乘客進出站客流數(shù)據(jù)、上下車客流數(shù)據(jù)、車站基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)，按照真實比例繪制車站的二維平面圖，確定仿真模型參數(shù)。在雙優(yōu)化流線設(shè)計下，車站客流仿真系統(tǒng)基于改進的社會力模型進行乘客走行軌跡計算，二維場景客流動態(tài)變化，如圖5 所示。

4.2.2 仿真運行控制

為了對客流情況進行快速推演，車站客流仿真系統(tǒng)設(shè)置了一鍵仿真和倍速仿真功能，支持客流快速推演；設(shè)置了逐幀仿真功能，支持精細化分析乘客的走行軌跡。此外，車站客流仿真系統(tǒng)還支持車站場景的更換、障礙物類型選擇、進站客流量和下車客流量的添加。

4.2.3 仿真數(shù)據(jù)存儲

（1）功能區(qū)客流量

車站客流仿真系統(tǒng)在仿真推演的同時，可實時統(tǒng)計地鐵站內(nèi)各個功能區(qū)的客流變化情況。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，車站客流仿真系統(tǒng)將地鐵站內(nèi)區(qū)域劃分為付費區(qū)、非付費區(qū)、出入口通道、設(shè)施設(shè)備區(qū)域、站廳過道、站臺候車區(qū)等多個功能區(qū)，按照一定時間間隔統(tǒng)計各功能區(qū)內(nèi)人數(shù)，為地鐵工作人員實施功能區(qū)客流管控提供數(shù)據(jù)支持。

（2）功能區(qū)擁擠度

車站客流仿真系統(tǒng)可根據(jù)功能區(qū)客流量與功能區(qū)面積的比值，計算該功能區(qū)擁擠度。當(dāng)該區(qū)域過度擁擠時，車站客流仿真系統(tǒng)產(chǎn)生客流報警，提示工作人員及時進行客流管控疏導(dǎo)。

（3）出站客流量

車站客流仿真系統(tǒng)可統(tǒng)計運營當(dāng)日一定時間段內(nèi)出站客流量，展示各個出入口的客流承載壓力，評估和優(yōu)化重點出入口處的流線設(shè)計。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

本文將車站客流仿真系統(tǒng)應(yīng)用于某地鐵站，對其客流情況進行仿真推演。車站客流仿真系統(tǒng)根據(jù)該站某常態(tài)工作日運營當(dāng)天的客流預(yù)測結(jié)果，自動分析當(dāng)日客流分布情況，輸出的某時段站廳站臺客流分布熱力圖，如圖6所示。

圖6 某時段站廳站臺客流分布熱力圖

圖7 展示了各出入口實時擁擠度排名情況，其中，右側(cè)的數(shù)據(jù)表示出入口實時擁擠度；箭頭表示環(huán)比擁擠度趨勢，向上表示當(dāng)前時段的擁擠度增加，向下表示當(dāng)前時段的擁擠度降低。

圖7 各出入口實時擁擠度排名

車站客流仿真系統(tǒng)將車站重點區(qū)域劃分為多個功能性區(qū)域，不同功能區(qū)在未來2 h 內(nèi)的擁擠度預(yù)警如圖8 所示。當(dāng)擁擠度超過70%時，車站客流仿真系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)警，并按擁擠度程度，對不同等級的預(yù)警采用不同的顏色。同時，車站客流仿真系統(tǒng)還統(tǒng)計車站內(nèi)產(chǎn)生預(yù)警的功能區(qū)個數(shù)，以便及時提醒工作人員對相關(guān)功能區(qū)實施針對性管控措施。

圖8 車站功能區(qū)擁擠度預(yù)警

以功能區(qū)1 號線換乘通道為例，其未來一段時間內(nèi)的客流趨勢如圖9 所示，其中，藍色表示進入功能區(qū)客流趨勢，黃色表示離開功能區(qū)客流趨勢，紅色表示通過1 號線換乘通道進行換乘的客流趨勢。車站客流仿真系統(tǒng)通過預(yù)測客流變化趨勢，提前預(yù)測該區(qū)域是否會產(chǎn)生客流擁堵，以幫助站務(wù)人員制訂客流管控預(yù)案。

圖9 某功能區(qū)客流趨勢

根據(jù)客流推演結(jié)果，車站客流仿真系統(tǒng)得到各出站口客流量的分布情況，如圖10 所示。

圖10 各出入口出站客流量分布

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于雙優(yōu)化流線的城軌車站客流仿真系統(tǒng)，通過引入碰撞行為對社會力模型中乘客自驅(qū)動力的影響，實現(xiàn)了局部流線的優(yōu)化，并通過可擴展多層設(shè)計實現(xiàn)了全局流線的優(yōu)化。車站客流仿真系統(tǒng)以某地鐵站為例進行常態(tài)運營日客流仿真推演，展示車站客流熱力圖，并統(tǒng)計了站內(nèi)各功能性區(qū)域?qū)崟r客流量、擁擠度、預(yù)測客流演化趨勢、各出站客流量等指標(biāo)，幫助站務(wù)人員更好地進行車站管理。未來，本文將針對大客流情況下的客流管控問題進行研究，實現(xiàn)客流的全方位感知與疏解。